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P2-033
第13回宇宙科学シンポジウム
CERN-SPSにおけるCALET熱構造モデルを用いた性能実証実験
赤池陽水、寺澤敏夫（東大宇宙線研）、鳥居祥二、笠原克昌、小澤俊介、小谷太郎、中川友進、植山良貴、仁井田多絵、中村政則、片平亮、金子翔伍、村田彬（早大理工研）、田
村忠久（神奈川大工）、片寄祐作（横国大）、清水雄輝（JAXA/SEUC）、P. S. Marrocchesi, P. Maestro, G. Bigongiari, S. Bonechi, P. Brogi (Siena Univ/INFN), O. Adriani, N. Mori, S.
Oleksandr (Florence Univ. INFN), R. Sarvoli, L. Marceli, V. Di Felice, F. Palma (Rome Univ. Tor Vegata/INFN), A. Basti, S. Tolaini, A. Orsini (Pisa Univ), J. W. Mitchell (NASA/GSFC), B. Rauch
(Washinton Univ.-St.Luis), 他CALETチーム
高エネルギー電子・ガンマ線望遠鏡（CALET: CALorimetric Electron Telescope）の主検出器は、宇宙線電子1GeV – 20TeV, ガンマ線10GeV – 10TeV、陽子・原子核数十GeV – 1000TeVを測定
対象としたカロリメータである。CALETカロリメータの観測性能の検証のため、欧州合同原子核研究機構(CERN)のSPS加速器を利用して、ビーム実験によるCALETカロリメータの機能・性能
評価を実施した。検出器には、フライトモデルと同じ構造を持つ熱構造モデルを使用し、一部の前置回路はBBMを用いることで、性能実証を行った。本発表では、このCERN実験における
加速器実験の概要と、初期的なデータ解析及びシミュレーションに基づく性能検証について報告する。
熱構造モデル
CALET計画
耐環境性能試験のための試作試験モデル
装置寸法、サポート構造がフライトモデルと同等
⇒ フライトモデルを模擬したビーム実験
CALET : CALorimetric Electron Telescope
CALETは、国際宇宙ステーションの日本実験棟「きぼう」船外
実験プラットフォームに搭載予定の宇宙線観測装置であり、
2014年に打ち上げ予定
打ち上げ機
打ち上げ時期
観測期間
ペイロード形態
装置重量
消費電力
CALETフライトモデル
電子エネルギースペクトル
の観測予測
計画概要
HTV-5 (H2B)
CHD: Charge Detector
ISS船外プラットフォーム
2014年夏期
2年間(5年間目標)
標準ペイロード
ポート占有ミッション
650 kg (最大)
500W (最大)
CALETペイロード
IMC: IMaging Calorimeter
粒子の到来方向、粒子識別
・シンチレーティングファイバー
（SciFi）（1mm角）
全7168本（448本 ｘ XY ｘ 8層）
・タングステン板（7枚、計3r.l.）
（ビーム実験）
⇒SciFi全4096本(256本 x XY x 8層)
(中央部256本のみデータ収取)
CALETカロリメータ
観測対象と観測目的
Electrons
1GeV – 20TeV
Gamma-rays
10GeV – 10TeV
TASC: Total AbSorption
Calorimeter
近傍加速源、暗黒物質探索、
粒子加速・伝播機構、太陽磁気圏
暗黒物質探索、拡散ガンマ線、
点源（SNR、パルサー、AGN等）
ガンマ線バースト
エネルギー測定、粒子識別
・PbWO4シンチレータ
（2.0cm x 1.9cm x 32.6cm）
全192本
（16本 ｘ XY ｘ 6層, 計27.1r.l.）
（ビーム実験）
⇒ 全36本(3本 x XY x 6層)
他は真鍮のダミー
Protons and Nuclei
粒子加速機構、伝播機構
10GeV – 1000TeV
CERN-SPS実験
電荷測定（z=1 – 40）
・ プラスチックシンチレータ
（3.2cm x 45cm x 1cm）
全28本（14本 ｘ XY）
（ビーム実験）
⇒ 全6本 （3本 ｘ XY）
他はアクリルのダミー
■ 装置セットアップ
検出器構造の影響
カロリメータSTM+BBM
CHD + IMC
■ 実験目的
サポート構造が与える影響をシミュレーション計算から評価
TASC
Si Tracker
シミュレーション： EPICS v9.131 (Cosmos7.631)
・ 検出器の動作実証、性能評価
・ 検出器シミュレーションモデルの最適化
ビームパイプ
■ サポート構造の詳細
■ 実験日時
● CHD, IMC
CHD + IMC
・ 2012.9.24 – 10.8 @T4 – H8ビームライン
・ 2012.10.8 – 10.15 @T2 – H4ビームライン
 SciFi-ベルト:
各層の間隔 : 20.6 mm
 サポート構造
アルミ製ハニカム構造
粒子
ビーム
■ ビーム種類
・μ粒子: 150 GeV/c (1,473 k eve.)
・電子 : 10 – 290 GeV/c (1,865 k eve.)
(10, 20, 30, 50, 80, 100, 150, 200, 250, 290 GeV/c)
・陽子 : 30 – 400 GeV (3,453 k eve.)
( 30, 100, 400 GeV/c )
TASC
■PWO
■Brass
Layer-1
20.6
Layer-2
Discri.
Top View (tilt: 𝜃 = 20°)
Beam Pipe
Beam
Beam
Gate Gen.
(Latch)
PC
(Video)
HUB
PMT
Level Adpt.
CHD
Ether Net Cable
(100m)
Visual Scl.
機能等価FEC
PMT
HUB
IMC
(Dynode)
MAPMT (Anode)
Pre-Amp
Sum-Amp
SIA
CAL
PC
(DAQ)
Delay
External
Trigger
SIA
NIM
Gate Gen.
Beam
External
Trigger
Control
Room
Coin.
今回の実験では検出器の一部にBBMを採用した
Top View (normal)
Beam Pipe
Moving
Table
MAPMT
(Y7, Y8)
(Dynode)
(Anode)
Discri.
VME C.C.
Shaping
Amp.
Charge ADC
● TASC
■PWO
■Brass
■CFRP
 PWO（19 mm x 20 mm x 326 mm)
PWO間の隙間 : 1.42 mm
 サポート構造
炭素繊維強化プラスチック(CFRP)
厚さ0.52 mm, 密度1.78g/cm3
1.42 (PWOの間隔)
イベントモニタ
(例)電子290GeV
19
20
■ サポート構造のない場合（2011年ＣＥＲＮ実験）との比較
Scaler
K-BUS
FEC(BBM)
APD/PD(Y1)
FEC(BBM)
C.C.
APD/PD
FEC(気球用)
PH-ADC
― CERN(2011)
― CERN(2012)
・ IMCにおけるエネルギー損失量は、
ほとんど変化なし
・ TASCでは、シャワー発達が遅くなり、
総エネルギー損失量が小さくなる
FPGAボード
PMT(X1)
IMCのエネルギー損失
● エネルギー損失
IO register
FEC(BBM)
CAMAC
― CERN(2011)
― CERN(2012)
● エネルギー直線性
TASCにおける全エネルギー損失の入
射エネルギーに対する線形性を確認
[mm]
0.52(CFRPの厚み)
電子100GeV
N [MIPs]
TASCのエネルギー損失
TASCにおけるエネルギー遷移曲線
データ初期解析
ハニカム構造
辺の長さ：3.2mm
厚み：0.2mm
FEC I/F
TASC
HV
VME
7
FEC(気球用)
Moving
Table
HV
■SciFi
■W-plate
■Al
サポート構造
■ DAQブロック図
■ 入射角度
・ 0, 20°
サポート構造
● エネルギー分解能
100GeV以上で性能要求である
3%を達成
― CERN(2011)
― CERN(2012)
電子100GeV
電子100GeV
N [MIPs]
IMC-X
● シャワーの横拡がり
Y
・ 同様の解析手法で、シャワーの横拡がりは大きくなる
TASC中のシャワーの横拡がり𝑅𝐸
TASC (APD-High)
TASC (APD-Low)
𝑹𝑬 =
CHD-X Y
𝚺𝒊 𝚫𝑬Layer𝑖 𝑹𝟐𝒊
𝚺𝒊 𝚫𝑬Layer𝑖
𝑹𝑖 =
陽子400GeV
CHDの粒子数(シミュレーション )
陽子350GeV
Y
― 電子 150GeV
― 陽子 350GeV
2
― 電子 150GeV
― 陽子 350GeV
𝒙𝒄 Position of Shower Axis
𝒙𝒋 Position of jth PWO
シミュレーションと同様に入射粒子の天頂角に依存しない
IMC-X
CERN(2012)のシャワーの横拡がり
∆𝑬𝒊,𝒋 Deposit Energy in i,jth PWO
● CHDの後方散乱
(例)陽子400GeV
𝚺𝒊 𝚫𝑬i,j × 𝑥𝑗 − 𝑥𝑐
𝚺𝑗 𝚫𝑬𝑖,𝑗
CERN(2011)のシャワーの横拡がり
（×cosθ の天頂角補正）
実験結果:
(天頂角分を補正済み)
天頂角
― 0deg
― 20deg
まとめ
電荷z=1のピーク
TASC (APD-High)
CHD-X Y
TASC (APD-Low)
後方散乱粒子の影
響が起こり得る範囲
■ CERN-SPSでCALET熱構造モデルを用いてビーム実験を実施した
■ 現在詳細なデータ解析を行っており、シミュレーションモデルの
最適化のため、解析結果の比較・検証を進めている
■ 2013年1月24日 – 2月7日に、CERN-SPSにおいて、
原子核成分(20, 30 GeV/n)のビーム実験を予定している